水文水资源水环境分形混沌分析

文化视野人文地理环境的整体性黄艺丹 福建师范大学地理科学学院摘要：整体性作为人文地理最重要的特性之一， 每个构成的要素相互之间具有紧密的联系， 同时发生着相互渗透及相互制约的作用，一同构成着真个地理大环境。

地理环境的每一个要素都和整体有着紧密的联系， 同其他要素有着相互作用， 同时也互相联系；任何一个要素发生变化会牵连其他要素乃至整体都发生改变；某一区域当中的地理环境发生变化， 其周围的环境情况也会遭受牵连而产生改变。

人文地理整体性是客观存在的， 因此我们利用地理环境时要充分考虑其整体性。

关键词：人文地理环境；整体性；分析中图分类号：G633.55 文献识别码：A 文章编号：1001-828X(2018)013-0409-03岩石圈和大气圈以及生物圈与水圈四个圈层共同构成了地理环境， 整体性为地理环境最重要的一个特征。

构成地理环境得的诸要素相互作用， 彼此有着紧密的联系， 进行着互相渗透， 因而地理环境具有极强的整体特性；人文地理整体性的实质指的是各要素的互相间的关系。

全面了解地理环境具有的整体性， 可以促进人类对各个地理要素的关系与影响有更加深入的了解， 这归于人类的生产和生活有着极为重要的指导作用。

一、地理环境的具体内涵地理环境是各种地理现象和人文线性在空间分布方面形成的关系， 显示着人类文化变迁与地理环境变化的规律。

地理环境和人类的生活具有息息相关的关系， 因此， 在研究地理环境的进程中， 要对所有存在联系的地域和文化以及有关的区域特征展开综合性的分析， 掌握构成人文环境和地理环境的各种有关的因素， 深入研究地理环境的发展历史， 分析其发展的总体趋势。

人文环境与地理环境是不同的概念， 人文地理是自然地理进一步延伸发展而来的结果， 以了解自然现象与自然景观为基础， 对地理环境当中人类活动具有的整体性进行分析， 这涉及经济活动、文化交流、交通发展和城市化合农业的发展等多个有关因素， 这些因素对地理环境整体性方面产生直接性影响。

小波分析在水文预报中的应用概述王宁;贾文毓【摘要】阐述了小波分析在水文预报中的应用现状,讨论了小波消噪在水文序列中的中的重要性,并介绍了基于小波消噪的偏最小二乘回归模型,得出消噪后的水文序列的相依性会大大提高,能更好地为建立水文预报模型奠定基础。

%This paper introduced present situation of wavelet analysis application in hydrological forecasting,mainly discussed the importance of wavelet denoising in hydrological sequence and introduced partial least squares regression model based on wavelet denoising,the dependence of the denoised hydrological sequence could greatly improved,which was better for laying the foundation of the establish prediction model.【期刊名称】《宁夏农林科技》【年(卷),期】2012(053)002【总页数】2页(P61-62)【关键词】水文序列;小波分析;消噪;预报【作者】王宁;贾文毓【作者单位】山西师范大学城市与环境科学学院,山西临汾041000;山西师范大学城市与环境科学学院,山西临汾041000【正文语种】中文【中图分类】TP18在对水文时间序列的描述中，常常采取时域和频域2种基本形式。

时域分析是从时间域上描述水文序列，具有时间定位能力，自相关分析和互相关分析是常用的时域分析方法，但它们无法得到关于水文时间序列变化的更多信息（如采样率、周期等）。

1822年Fourier提出频域分析法——Fourier变换，可以揭示水文时间序列不同的频率成分，具有准确的频率定位能力。

渭河上游河川径流演变特性分析梁东业;李艳萍;王景才【摘要】为了研究渭河上游径流演变特性,以林家村等5个水文站近50 a的实测径流序列为基础,采用Mann -Kendall趋势分析法(M-K法)和R/S法分析了径流演变趋势.结果表明:渭河上游径流年内分配在20世纪50年代较为集中,60 ～90年代相对均匀；径流年际变化较大；径流量总体呈下降趋势,且趋势性较为显著.研究成果为渭河流域水资源开发利用、调度管理和生态环境保护提供一定参考.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2012(043)008【总页数】4页(P52-55)【关键词】河川径流;年内分配;年际变化;趋势检验;M-K法;渭河上游【作者】梁东业;李艳萍;王景才【作者单位】中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院,吉林长春130061;中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院,吉林长春130061;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TP3911 研究背景径流是一定时期内气候因素、下垫面自然因素和人类活动(下垫面人为因素)等综合作用的结果。

近年来，在气候变化和人类活动的共同作用下，径流序列形成的物理背景发生了较大变化，直接影响了流域水资源的合理配置与开发利用，以及河流系统的物理、化学和生物过程［1］。

渭河作为黄河最大的支流，其流域水文水资源变化引起学者们越来越多的关注［2－4］。

渭河上游流域从甘肃省渭源县鸟鼠山起算，延至陕西省宝鸡县林家村，全长440多千米，流域面积30 660 km2以上［5］。

渭河上游包括六盘山以西的陇西黄土高原和西秦岭北侧，支流众多，山脉纵横，起伏较大，地形以渭河河床为基线形成漫坡结构，总面积为2.975万km2。

流域年降水量为315～664 mm，年平均气温为9℃ ～13℃，属于半干旱季风过渡区［6］。

本文选取渭河上游几个代表性水文测站，分析渭河上游河川径流的演变特性，为渭河流域的水资源开发利用、水资源调度与管理和生态环境保护提供一定参考。

赣江流域年降雨和径流量的周期特征分析刘星根【摘要】亚热带流域降雨是河道径流大小的重要控制因素,两者周期变化引起流域水资源的丰枯变化.研究降雨和径流的多时间尺度周期特征和相关性可以为流域水资源管理和区域经济发展提供重要参考.利用赣江流域15个气象站和赣江下游控制站——外洲水文站的降雨、流量资料(1960—2010年),基于小波分析和R/S分析方法探讨了流域降雨和径流的多时间尺度特征和持续性.结果表明:①近50 a赣江流域年降雨和径流存在6、11、17(18)a三个尺度的主周期;②17 a(18 a)尺度的周期信号在1960—1990年期间占主导地位,在近20 a信号减弱;6 a尺度的小波振荡在近20 a愈加凸显;③1960—2010年降雨和径流的Hurst指数约为0.50,表明未来降水和径流的变化趋势与过去50 a的变化趋势不存在显著联系.因此,从长尺度的周期特征看,2010年以后赣江流域可能进入水量偏多时期,但6a小尺度的周期振荡加强可能会加剧赣江流域水资源的不确定性.研究结果反映了赣江流域水资源变化的多时间尺度周期特征,可为流域水资源管理提供参考.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷),期】2019(040)006【总页数】7页(P54-60)【关键词】降雨;径流;周期;赣江【作者】刘星根【作者单位】中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京 210008;中国科学院大学,北京 100049【正文语种】中文【中图分类】P333气象和水文要素的时间变化存在不同尺度变化特征，中国长江、黄河、珠江、松花江流域的降雨和径流存在6、14、25 a尺度的主周期[1-6]。

鄱阳湖流域的降雨量呈现18、6 a的周期特征[7]，而鄱阳湖区3—6月降雨存在10 a周期，7—10月和11—2月降雨存在30 a长周期，两者的差异促进了滨湖区的围垦[8]。

上述气象水文要素的周期变化研究为理解区域环境变化和流域水资源演变提供良好参考。

第34卷第1期2023年1月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.1Jan.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.01.006江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法严子奇,周祖昊,严登华,韦瑞深(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京㊀100038)摘要:江河断面旱限水位(流量)是流域干旱预警的重要指标,可作为启动流域抗旱应急响应㊁指导水利工程开展抗旱调度的重要依据㊂本文针对江河断面旱限水位的相关概念和技术问题,完善了江河断面旱限水位(流量)的内涵,指出其是表征河流进入低枯状态即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位(流量)阈值㊂考虑不同干旱程度及干旱期用水规律,从分级分期的角度提出适用于不同类型河段的江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法㊂通过对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用,验证了算法对资源约束型和综合约束型断面的适用性和合理性㊂本研究为水旱灾害防御部门制定江河断面旱限水位(流量)提供了通用算法,能够为干旱预警决策提供科学依据和技术支撑㊂关键词:旱限水位(流量);江河断面;分级分期;干旱防御中图分类号:TV697.1㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)01-0053-10收稿日期:2022-08-07;网络出版日期:2022-12-02网络出版地址:https :ʊ /kcms /detailʊ32.1309.P.20221201.1707.001.html基金项目:国家重点研发计划资助项目(2021YFC3000205);水利前期计划资助项目(2019-000011-76-01-000983)作者简介:严子奇(1983 ),河北深州人,正高级工程师,主要从事水文水资源研究㊂E-mail:yanzq@干旱是全球最常见和最严重的自然灾害,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出,气候变化正在加剧水循环,持续时间长㊁影响范围广和强度高的极端干旱发生频率将显著增加[1]㊂干旱也是中国主要的自然灾害之一,近年来干旱灾害呈现出频发㊁重发的趋势[2-4]㊂面对全球变化背景下极端干旱频发的趋势,在流域重要控制断面建立干旱预警指标体系对流域干旱防御具有重要的实践意义㊂目前国际上通常采用标准化径流指数等水文干旱预警指标,这种指标更多的是基于历史监测样本的丰枯概率分布来确定当前河流的干旱情况[5],由于不能反映河流的水资源供需态势,对于支撑干旱防御决策仍然具有一定局限性㊂为加强流域干旱监测预警,2011年,原国家防汛抗旱总指挥部办公室发布了‘旱限水位(流量)确定办法“[6]㊂其中综合考虑江河断面的用水需求和工程制约因素,以其最高(大)需求值作为旱限水位确定依据,并于2012年在全国180多个断面进行了试点[7]㊂但该算法全年采用唯一的水位(流量)进行干旱预警指标,既无法体现年内需水过程差异,也没有对干旱程度加以区分,在实践操作中存在一些局限性㊂之后,有学者采用Fisher 最优分割法㊁成因分析法对旱限水位进行分期研究,并结合优化调度技术建立湖库等控制性工程的分级分期旱限水位[8-12]㊂但是,对于流域内水情监测关键节点的江河断面,旱限水位(流量)研究相对较少,虽然干旱防御部门在实践中通过频率计算或典型年分析方法也形成了干旱预警指标[13-16],但是经验性较强,难以在全国范围内进行推广㊂本文围绕流域干旱防御实践需求,针对不同类型河段,对江河断面旱限水位(流量)概念内涵进行深入解析,结合不同干旱程度及干旱期各行业用水规律,从分级分期的角度提出能够适用于多种情况的江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法,满足预警分级㊁指标分期的管理要求㊂本研究通过对渭河临潼断面与抚河廖家湾断面进行应用,验证了江河断面分级分期旱限水位(流量)计算方法的可行性与合理性,为旱灾防御指挥决策提供科学依据和技术支撑㊂54㊀水科学进展第34卷㊀1㊀江河断面分级分期旱限水位(流量)内涵及计算方法1.1㊀江河断面分级分期旱限水位(流量)内涵解析(1)概念内涵㊂从流域水循环系统角度来看,江河断面旱限水位(流量)随着降水偏少,是河流进入低枯状态㊁即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位阈值,反映流域水循环系统与需水系统在极限状态下的平衡㊂在实践中,江河断面旱限水位(流量)是指水位持续偏低或流量持续偏小,即将影响断面供水区域城乡居民生活㊁工农业生产㊁生态环境等用水安全,应发布预警并采取抗旱措施的江河断面水位(流量),是流域水资源管理由日常管理进入应急管理的重要标志㊂(2)功能作用㊂由于河道并不具备水库㊁湖泊的主动调节控制能力,江河断面旱限水位(流量)作为流域干旱预警指标,对即将发生的旱情起到风险预警指示作用,也是流域抗旱应急响应的启动指标;另一方面,可将其作为流域水量调控的参考指标,接近或低于旱限水位(流量)时,应结合工程调度和节水管理等措施,将水位(流量)维持或恢复至旱限水位(流量)以上,保障干旱期用水需求㊂(3)适用对象㊂考虑干旱期的重点保障目标和全流域旱情研判需求,具有城乡供水任务㊁重要工农业生产任务和重要生态功能的河段控制断面,以及对干旱预警工作有重要作用的江河断面应制定旱限水位㊂(4)分级应用与分期管理㊂为了应对不同程度的干旱,对于江河湖库均可制定分级分期旱限水位(流量)㊂建议将江河断面旱限水位划分成应对轻度干旱的旱警水位(流量)和应对特大干旱的旱保水位(流量)[10-11],实际操作中可根据管理需要对分级进行细化㊂为了体现河流天然水文节律以及不同行业分时期用水需求,应根据气候㊁水文特征和行业耗水特点,对江河断面旱限水位(流量)进行预警分期划分,对不同时期分别确定预警指标,满足抗旱分期管理的要求㊂1.2㊀分级分期旱限水位(流量)计算方法江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法包括分期划分㊁需水计算㊁旱限水位(流量)计算和合理性分析等步骤㊂1.2.1㊀分期划分由于不同的用户需水过程有着时间上的差异,不同时期各行业用水过程有着不同的保障目标㊂结合江河水文特征和抗旱期生产㊁生活㊁生态用水需求的优先级和集中程度,划分旱限水位(流量)的预警分期,可采用Fisher最优分割法㊁成因分析法㊁模糊分析法㊁分形分析法等方法进行划分㊂一般情况下可将水文年划分为汛期㊁枯水期和农业用水关键期等分期(图1)㊂实际应用中,中国不同地区气候㊁水文㊁用水条件并不一致,可根据实际情况灵活设定㊂对于来水与需水分期交叉的情况,建议以需水分期为主㊂图1㊀干旱预警分期示意Fig.1Schematic diagram of drought early warning stages1.2.2㊀河道外需水计算根据实际情况可采用1种或多种方法计算轻度干旱和严重干旱情况下的设计需水量,作为用于计算旱警㊀第1期严子奇,等:江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法55㊀和旱保水位(流量)的社会经济需水量㊂(1)用水量调查统计法㊂调查统计江河湖库供水范围内近10a分行业用水统计数据,分别选取一般枯水年(75%频率)和特枯水年(95%频率)城乡生活㊁企业生产㊁农业灌溉等行业的逐月用水量作为计算旱警和旱保水位(流量)的河道外社会经济需水量㊂(2)定额计算法㊂依据地方定额标准,结合社会经济指标,计算正常年份下分行业需水量㊂将正常年份下分行业需水量与干旱调整系数(调查)的乘积作为用于计算旱警和旱保水位(流量)的河道外社会经济需水量㊂干旱调整系数参考‘区域旱情等级:GB/T32135 2015“中对不同等级干旱的量化界定指标(表1),具体可根据实际情况进行调整㊂表1㊀需水调整系数参考表Table1Water demand adjustment coefficient reference table对应等级生活需水工业需水灌溉需水旱警0.90~0.950.90~0.95ȡ0.70旱保ɤ0.70ɤ0.70ɤ0.20㊀㊀(3)模型调算法㊂对于水资源供需关系较为复杂的地区,建议采用模型调算方法对干旱年份河流供水范围内的需水量进行计算:采用水资源配置模型,考虑不同行业㊁不同用户㊁不同时段的需水要求及工程供水能力,对河流供水范围内的水资源供需过程进行典型年或长系列调算,得到一般枯水年(75%频率)和特枯水年(95%频率)的社会经济分行业用水逐月过程,作为对应于旱警和旱保水位(流量)的河道外社会经济需水量㊂1.2.3㊀河道内需水计算对于河湖生态环境需水量,根据‘河湖生态环境需水计算规范:SL/Z712 2014“,通常可采用Tennant 法㊁90%最枯月法等方法确定河流基本生态需水量㊂对于有重要生态环境敏感保护目标的河段,在其生态关键期可采用生物需求法㊁生物空间法等方法确定生态需水量㊂对于航运需水量(通航水位),根据‘内河通航标准:GB50139 2014“,合理确定河流㊁湖泊通航水位㊂对于国家和地方已经颁布生态环境流量指标㊁通航水位(流量)指标或已制定水量调度规则的地区,采用已有指标或调度规则,以保证抗旱管理与水资源管理㊁航运管理的协调性㊂1.2.4㊀旱限水位(流量)计算(1)资源约束型断面㊂资源约束型断面主要以水量来作为约束因素,取水工程设施对水位没有特定要求㊂此时,旱限水位/流量(Q)采用外包线和逐级叠加的方法计算,即在河道内需水流量对应水位取最高值的基础上,叠加河道外需水量后对应的流量/水位(Z)㊂计算原理如图2所示㊂图2㊀资源约束型断面旱限水位(流量)计算示意Fig.2Schematic diagram of calculation of drought-limited water level(flow)for resource-constrained section56㊀水科学进展第34卷㊀资源约束型断面第i月(旬)旱限水位(流量)计算公式如下:Q hx,i=W s,i+max[Q e,i,f(H1,i)](1)Z hx,i=f-1(Q hx,i)(2)式中:Q hx,i为i月(旬)江河断面旱限流量,m3/s;Z hx,i为i月(旬)江河断面旱限水位,m;Q e,i为i月(旬)生态流量,m3/s;W s,i为i月(旬)社会经济取水流量,m3/s;H1,i为i月(旬)通航水位,m;f()为河道水位 流量转换函数㊂(2)综合约束型断面㊂综合约束型河段在考虑水量约束的基础上,进一步考虑必要的工程因素来确定旱限水位(流量)㊂旱限水位采用外包线和逐级叠加的方法计算,即在河道内需水流量对应水位取最高值的基础上,叠加河道外需水量后,再与取水高程取外包线㊂综合约束型断面第i月(旬)旱限流量计算公式如下:Q hx,i=max{W s,i+max[Q e,i,f(H1)],f(H2)}(3)式中:H2为取水工程设施要求的水位,m㊂(3)分期处理㊂在逐月旱限水位(流量)计算的基础上,为了便于分期管理实践,对各干旱分期内逐月旱限水位取外包线,得到分期旱限水位㊂分期旱限水位计算公式如下:Z T=max(Z1,Z2, ,Z i)(4)式中:Z T为分期T的旱限水位,m;Z i为分期T内第i月旱限水位,m㊂(4)多控制断面情景㊂对于有多个取水节点或断面的河段,可选取最上游断面为代表断面,取所有断面控制流量最大值作为该河段的旱限流量(或换算对应水位),其含义是在干旱时期保障断面控制河段各个节点的用水需求,其中,各个节点流量需求已经是对于该节点来说的最基本用水需求㊂计算原理如图3所示㊂图3㊀具有多个断面河段旱限水位(流量)计算示意Fig.3Schematic diagram of calculation of drought-limited water level(flow)for river reach with multiple sections1.2.5㊀旱限水位(流量)合理性分析通过对比分析旱限水位(流量)的重现期(R)与历史干旱程度重现期之间的差距,对旱限水位计算结果进行合理性分析㊂若有N年长系列数据,则重现期计算方法为:(1)对于第i个分期T i,计算每个年份分期T i内各月水位最小值Z j min T i,j=1,2, ,N;(2)统计Z j min T i(j=1,2, ,N)低于旱限水位Z T i的次数n i;(3)T i分期旱限水位的重现期(R i)为R i=N/n i(5)式中:N为长系列水位资料的年数㊂对于划分旱警水位和旱保水位断面,要分别进行计算㊂建议低于旱警水位的重现期约5年一遇,低于旱保水位的重现期约10年一遇㊂旱限流量重现期计算方法与旱限水位一致㊂㊀第1期严子奇,等:江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法57㊀2㊀实例分析采用渭河临潼断面和抚河廖家湾断面开展资源约束型和综合约束型断面分级分期旱限水位(流量)算法验证㊂从断面位置示意图(图4)中也可以看出,2个断面也分别代表了中国北方和南方地区的典型河流断面㊂图4㊀案例断面位置示意Fig.4Location diagram of case sections2.1㊀资源约束型 渭河临潼断面2.1.1㊀研究区概况及基本数据临潼断面位于陕西省西安市渭河干流,属暖温带半干旱季风区,6 9月降水量占年降水总量的60%㊂该断面设有临潼水文站㊂断面下游20km处有交口抽渭灌区,是主要沿河用水户㊂灌区渠首取水口位于河床底部,取水高程对断面水位没有要求,所以该断面属于资源约束型断面㊂结合河道特点,以旱限流量作为干旱预警指标㊂本研究收集整理了临潼水文站1956 2016年逐日水文资料,交口抽渭灌区工程设计参数㊁灌溉面积㊁种植作物㊁灌溉制度㊁用水定额及1998 2016年逐月(旬)取水资料㊂2.1.2㊀分期划分综合考虑水文站径流㊁水位年内波动规律,以及当地以小麦㊁玉米㊁棉花为主的灌溉制度,对该断面干旱预警期进行划分,将一个水文年划分为3个时期,其中,3 5月为农业灌溉期,6 9月为汛期,10月至次年2月为枯水期㊂2.1.3㊀枯水年需水分析(1)河道内需水㊂渭河水量较为丰沛,根据Tennant法,同时考虑‘陕西省渭河水量调度实施细则“[17]中临潼断面和下游华县断面的流量保障要求,将25m3/s作为适宜生态流量,用于计算旱警流量;将12m3/s 作为最小生态流量,用于计算旱保流量㊂(2)河道外需水㊂分别采用用水量调查统计法和定额计算法得到交口抽渭灌区一般枯水年(75%频率)和特枯水年(95%频率)的逐月需水过程㊂从偏安全的角度考虑,对2种方法得到的用水量逐月取最大值得到综合需水量,作为旱限水位(流量)计算的基础(表2)㊂58㊀水科学进展第34卷㊀2.1.4㊀旱限流量计算临潼断面属于资源约束型断面,采用式(1)得到临潼断面分级分期旱限流量(表2)㊂表2㊀渭河临潼断面旱限流量计算Table2Calculation table of drought-limited flow in the Lintong section of Weihe River单位:m3/s时间农业取水流量按实际引水量计算按灌溉制度计算核定取水流量P=75%P=95%P=75%P=95%P=75%P=95%旱警流量分期旱警流量旱保流量分期旱保流量6月23161011231648482837 7月17181921192144483337 8月15252022202545483737 9月00000025481237 10月00000025391227 11月5103451030392227 12月9156791534392727 1月1496714939392127 2月131434131438392627 3月171989171942423134 4月13221010132238423434 5月81791091734422934 2.1.5㊀旱限流量合理性分析根据1961 2018年58a逐月流量资料统计(表3),旱警流量中枯水期共有14a流量低于旱警流量,灌溉期和汛期各有9a流量低于旱警流量,各分期内旱限水位的重现期为4~6a;旱保流量中枯水期共有7a 流量低于旱保流量,灌溉期和汛期各有6a流量低于旱保流量,重现期为8~10a㊂所得旱限流量的重现期结果合理,能够指导干旱年份下河道断面取用水的调度㊂表3㊀渭河临潼断面旱限流量重现期Table3Recurrence period of drought-limited flow in Lintong section of Weihe River单位:a分期旱警流量旱保流量低于旱警流量的数量重现期低于旱保流量的数量重现期汛期(6 9月)96610枯水期(10月至次年2月)14478农业灌溉期(3 5月)966102.2㊀综合约束型 抚河廖家湾断面2.2.1㊀研究区概况及基本数据廖家湾断面位于江西省抚州市抚河干流,属亚热带湿润季风气候区,降水主要集中在4 6月,约占全年降水的60%㊂该河段同时兼顾生态需水㊁城市水厂取水㊁金林渠灌区取水以及下游赣抚平原灌区取水等用水需求,且在实际运行中,水厂㊁灌区取水设施对断面来水均有水位要求,否则取水受影响,故廖家湾断面属于水位㊁水量双重约束的综合约束型断面㊂赣抚平原灌区取水断面距离廖家湾断面45km㊂㊀第1期严子奇,等:江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法59㊀㊀㊀本研究收集整理了廖家湾水文站1970 2016年逐日流量资料,金林渠灌区㊁赣抚平原灌区工程设计参数,抚州市荆公路水厂㊁南区水厂和钟岭水厂1998 2016年取水资料及抚州市用水定额等数据资料㊂2.2.2㊀干旱分期根据流域降水㊁径流年内分配规律,同时考虑当地以早稻㊁晚稻㊁蔬菜及瓜果等经济作物为主的灌溉制度,将全年12个月划分为3个分期:4 6月为汛期,7 9月为灌溉用水高峰期,10 3月为枯水期㊂由于廖家湾断面位于南方丰水地区,旱限水位的需求主要集中在灌溉用水高峰期和枯水期,因此本案例重点展示7月至次年3月的旱限水位(流量)计算㊂2.2.3㊀枯水年需水分析(1)廖家湾断面生态需水㊂抚河属于南方丰水流域,水量丰沛,以Tennant法为基础,结合李荣昉等[18],Yan等[19]对抚河流域各个断面生态需水核算结果,采用多年平均径流的20%即55.6m3/s作为非汛期的适宜河道生态环境需水量,用于计算旱警水量;采用多年平均径流的10%即27.8m3/s作为非汛期最小河道生态环境需水量,用于计算旱保水量㊂(2)廖家湾断面社会经济需水㊂廖家湾断面附近的抚州市荆公路水厂㊁南区水厂和钟岭水厂是抚州城区重要的自来水厂,河道控制流量需充分考虑3个水厂的影响,设计取水量分别为5万㊁3万和10万m3/d,折合设计取水流量共2.08m3/s㊂近年来,由于抚河河床下切较多,在流量较小情况下,抚河水位较低,水厂取水受到一定的影响,其中钟岭水厂影响最大㊂经调查,廖家湾断面基本流量为60m3/s时,可保证城区水厂取水需求㊂根据Yan 等[19]对抚河流域的枯水年配置成果,金临渠灌区在75%和95%频率年份非汛期取水流量如表4所示,分别用于计算旱警流量和旱保流量㊂(3)下游断面社会经济取水流量㊂根据赣抚平原管理局资料,满足赣抚平原灌区取水的需要,按定额计算,灌溉面积为6.87万ha(需水流量47.9m3/s),城镇居民用水流量约2.10m3/s,总需水流量为50.0m3/s㊂2.2.4㊀旱限流量计算廖家湾断面既有水量要求,又有取水高程要求,因而采用式(3)计算廖家湾断面控制流量㊂通过对生态流量㊁农业取水流量和水厂取水流量进行叠加,之后与取水设施要求流量比较取最大值,得到75%和95%频率年份下廖家湾断面控制流量(表4)㊂值得注意的是对于95%频率年份,由于各月生态流量㊁农业取水流量和水厂取水流量之和均小于取水设施要求流量(60m3/s),故95%频率年份下廖家湾断面控制流量均为60m3/s㊂表4㊀廖家湾断面分级分期旱限流量计算Table4Calculation table of drought-limited flow in Liaojiawan section单位:m3/s分期月份生态流量农业取水流量P=75%P=95%P=75%P=95%水厂取水流量控制流量分期旱限流量P=75%P=95%旱警旱保灌溉期7月55.627.89.78.8 2.0867.460.067.760.0 8月55.627.89.78.8 2.0867.460.067.760.0 9月55.627.810.09.0 2.0867.760.067.760.0枯水期10月55.627.8 4.5 3.9 2.0862.160.062.160.0 11月55.627.8 2.6 2.1 2.0860.360.062.160.0 12月55.627.8 2.6 2.1 2.0860.360.062.160.0 1月55.627.8 2.6 2.1 2.0860.360.062.160.0 2月55.627.8 2.6 2.2 2.0860.360.062.160.0 3月55.627.8 2.6 2.1 2.0860.360.062.160.060㊀水科学进展第34卷㊀㊀㊀根据图3,取廖家湾控制流量与下游断面控制流量(50.0m3/s)的最大值,并进行分期处理,得到廖家湾断分级分期旱限流量(表4),用于对抚河干流下游进行干旱预警㊂2.2.5㊀合理性分析根据廖家湾断面1956 2016年逐月来水径流,得到廖家湾断面分期旱限流量重现期如表5所示㊂经统计,灌溉期旱警流量重现期为5a,旱保流量重现期为9a;枯水期旱警流量重现期为4a,旱保流量重现期为5a,结果较为合理㊂表5㊀廖家湾断面分期旱限流量重现期Table5Recurrence period of staged drought-limited flow in Liaojiawan section单位:a分期旱警流量旱保流量低于旱警流量的数量重现期低于旱保流量的数量重现期灌溉期(7 9月)12579枯水期(10月至次年3月)1541253㊀结㊀㊀论江河断面旱限水位是流域干旱预警和抗旱管理的重要参考指标,为解决不同类型江河断面旱限水位(流量)确定计算问题,本文开展了江河断面旱限水位(流量)确定方法研究,提出了针对资源约束型和综合约束型江河断面的分级分期旱限水位(流量)确定方法,并在中国北方和南方典型河流断面进行了应用,验证了算法的可行性㊂主要结论如下:(1)江河断面旱限水位(流量)是随着干旱的发展河流进入低枯状态㊁即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位阈值,反映流域水循环系统与需水系统在极限状态下的平衡㊂由于河道并不具备水库㊁湖泊的调节控制能力,江河断面旱限水位(流量)主要作为流域干旱预警指标,可对即将发生的旱情进行风险预警指示,并将其作为流域抗旱应急响应的启动指标和流域水量调控的参考指标㊂(2)本文制定了江河断面旱限水位(流量)分级㊁分期标准,针对资源约束型断面和综合约束型断面,提出了较为通用的江河断面分级分期旱限水位(流量)确定技术,结合基于重现期分析建立了江河断面旱限水位(流量)的合理性分析方法㊂通过对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用,验证了算法的可行性和合理性㊂(3)本文提出的江河断面分级分期旱限水位(流量)计算方法作为一种通用的算法可以根据实践需求进行灵活调整㊂尤其对于全局节点㊁分支节点和末端节点等不同层级水系节点,应在干旱分级㊁预警分期等方面因地制宜,以适应流域整体与支流分区干旱预警管理的需求㊂(4)江河断面旱限水位(流量)作为面向干旱预警的指标,应与河湖生态流量指标进行衔接协调,从而反映水资源管理在应急态和常规态的不同需求㊂旱限水位(流量)的确定应对干旱期所应保障的生态流量进行科学核算,充分考虑天然水文节律,以保障有限的水资源在干旱年份发挥最大效益㊂旱限水位(流量)与生态流量之间的相互关系以及在管理中的协调机制将是下一步研究的重点㊂参考文献:[1]IPCC,AR6Climate change2021:the physical science basis[R].Cambridge:Cambridge University Press,2021[2]虞美秀,董吴欣,张建云,等.基于大范围地面墒情监测的鄱阳湖流域农业干旱[J].水科学进展,2022,33(2):185-195.(YU M X,DONG W X,ZHANG J 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